华中科技大学发酵工程 发酵动力学
发酵工程 第6章 发酵动力学
■将细胞作为与培养液分离的生物相处理所建立的模 型为分离化模型。在细胞浓度很高时采用。
如果把细胞和培养液视为一相，建立的模型为均一化 模型。
非结构模型
结构模型
最理想情况
确定论模型 不考虑细胞内部结构
各种细胞均一
均衡 细胞之间无差异， 生长 是均一的，细胞内
如果在考虑细胞组成变化的基础上建立的模型，称为结 构模型，一般选取RNA、DNA、糖类及蛋白含量做为过 程变量。
■菌体视为单组分的模型为非结构模型，通过物料平 衡建立超经验或半经验的关联模型。
如果细胞内的各种成分均以相同的比例增加，称为 均衡生长。
如果由于各组分的合成速率不同而使各组分增加比 例不同，称为非均衡生长。
（3）质量平衡法（质量守恒定律）
发酵系统中物 物质进入系统的速度＋物质在系统生成的速度 ＝
质积累的速度 －物质排出系统的速度－物质在系统消耗的速度
研究发酵动力学的步骤
(1). 为了获得发酵过程变化的第一手资料，要尽 可能寻找能反映过程变化的各种理化参数。
(2). 将各种参数变化和现象与发酵代谢规律联系 起来，找出它们之间的相互关系和变化规律。
S ——基质量，mol；
t ——发酵时间，h
注：这里的“维持”是指活细胞群体没有净生长和产物没有净合成的生 命活动，所需能量有细胞物质氧化或降解产生，这种用于“维持”的物 质代谢称为维持代谢（内源代谢），代谢释放的能量叫维持能。
（2）得率系数(或产率，转化率，Y)： 是指被消耗的物质和所合成产物之间的量的关系。包括生
基于关键生化反应限速步及其关键酶的动力学特征及其影响因素采用一系列分子水平的方法?细胞层次代谢网络与细胞工厂基于细胞信号传导代谢网络细胞物质运输的系列关键生化反应的综合表现采用一系列细胞水平的方法包括细胞群体行为分析?反应器层次过程工程基于细胞群体生长及产物合成对外部环境综合响应采用一系列优化反应器发酵条件的方法主要针对微生物发酵的表观动力学通过研究微生物群体的生长代谢定量反映细胞群体酶促反应体系的宏观变化速率主要包括
发酵工程_华中科技大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年
发酵工程_华中科技大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年1.发酵工程的目标不包含（）答案:无污染2.下列哪项不是微生物本征动力学参数？答案:微生物比生长速率μ3.微生物发酵过程中底物消耗速率取决于多种因素，其中不包括（）答案:细胞得率4.下列发酵产物属于非生长相关型的是（）答案:抗生素5.下列不是分批发酵优点的是（）答案:发酵设备外的外围设备利用度高6.下列关于分批发酵的说法错误的是（）答案:分批发酵过程中碳源耗尽时需进行补料维持发酵7.连续发酵处于流动状态，不属于稳态过程。
答案:错误8.底物比消耗速率qs是指单位质量细胞在单位时间内的底物消耗量。
答案:正确9.乙醇发酵按照Ganden的分类方法属于非生长相关型。
答案:错误10.分批发酵过程中如果目的产物为初级代谢产物，则可设法延长稳定期获得更多的产物。
答案:错误11.发酵液pH的改变会对发酵体系产生很大影响，影响菌体生长和产物代谢方向。
答案:正确12.根据氧传递方程的推导，在氧传递过程中的主要阻力是（）答案:液膜阻力13.关于气体溶解过程双膜理论以下说法错误的是（）答案:气膜内气体分子和液膜内液体分子以对流状态流动14.发酵过程中的氧传递方程式OTR=KLa(C*-CL)中，C*-CL代表（）答案:氧浓度推动力15.以下不是通过影响氧饱和浓度来改变推动力的因素是（）答案:微生物的耗氧能力16.通气准数Na与搅拌转速、通气线速度以及搅拌桨直径相关。
通气搅拌功率和搅拌轴功率的比值PG/P=1-12.6Na与PG/P= 0.62-1.85Na成立时，要求Na分别满足（）答案:＜0.035；≥0.03517.下列关于表面活性剂对KLa的影响的说法中，错误的是（）答案:随着表面活性剂浓度的增加a上升至最大值后保持不变18.一般来说高产菌具备的特点是呼吸强、生长快、代谢旺盛、产物专一。
答案:错误19.对好氧微生物的发酵过程进行温度控制时，应该在保证最适酶活的温度范围内尽可能选择较低的温度，以提高氧传递的推动力。
第六章发酵动力学
发酵装置-细胞回流式
F Se
(1 ) F X
F Xe
F , cX
细胞回流的单级连续发酵示意图
a: 再循环比率（回流比） c: 浓缩因子
2.2连续发酵动力学-理论
2.2.1单级恒化器连续发酵
定义： ① 稀释率 将单位时间内连续流入发酵罐中的新鲜培养基体积与 发酵罐内的培养液总体积的比值 D=F/V (h-1) F—流量（m3/h） V—培养液体积（m3） ② 理论停留时间
μ
残留的限制性底物浓度对微生物
比生长率的影响
Ks—底物亲和常数，速度 等于处于1/2μm时的底物浓 度，表征微生物对底物的亲 和力，两者成反比。
酶促反应动力学－米氏方程：
Vm [ s ] v K m [ s]
受单一底物酶促反应限制的微生物 生长动力学方程－Monod方程：
m s
Ks s
克P和每个有效电子所生成的细胞克数； ③ Yx/ATP：消耗每克分子的三磷酸腺苷生成的细胞克数。
基质消耗动力学 产物得率系数：
Yp/s , YP / O2 , YATP / s , YCO2 / s
：
消耗每克营养物（s）或每克分 子 氧 (O2) 生 成 的 产 物 (P) 、 ATP 或
CO2的克数。
细胞生长动力学
Decline（开始出现一种底物不足的限制）:
若不存在抑制物时
Monod 模型:
m s
Ks s
m s
Ks s
t
ln x ln x0
t
x x0e
细胞生长动力学
式中: S—限制性基质浓度，mol/m3 Ks—底物亲和常数(也称半饱和速度常数），表示微生 物对底物的亲和力 , mol/m3 ； Ks越大，亲和力越 小， µ 越小。
食品科学技术：发酵工程找答案(强化练习)
食品科学技术：发酵工程找答案（强化练习）1、填空题对于白味美思，特别是清香产品，一般采用新鲜的，贮存期短的白葡萄原酒，为此，贮存期间应添加（），以防止白葡萄酒的氧化.正确答案：二氧化硫2、名词解释核仁正确答案：细胞核中一个（江南博哥）没有膜包裹的圆形或椭圆形小体，这一区域rRNA含量很高，是合成核糖体的场所3、问答题微生物工程的发展经历了哪几个时期？正确答案：1.自然发酵时期2.纯培养技术的建立3.通气搅拌好气性发酵工程技术建立4.人工诱变育种与代谢调控发酵工程技术的建立5.发酵动力学、发酵的连续化自动化工程技术的建立6.基因工程阶段。
或答微生物酶反应生物合成和化学合成反应相结合工程技术建立4、单选下列酒的品种中，属于黄酒的是：（）.A.绍兴酒B.茅台C.汾酒D.五粮液正确答案：A5、判断题发酵产物的提取和精制过程也就是产物浓缩和纯化过程正确答案：对6、名词解释鸟枪法技术正确答案：将目的DNA随机地处理成大小不同的片段，再将这些片段的序列连接起来的测序方法7、名词解释生物芯片正确答案：是根据生物分子间特异相互作用的原理，将生化分析过程集成于芯片表面，从而实现对DNA、RNA、多肽、蛋白质以及其他生物成分的高通量快速检测。
8、问答题酱油酿造过程中色、香、味、体的形成机理是什么？正确答案：酱油是由曲霉、酵母和乳酸菌等微生物综合作用的产物。
原料中的淀粉质经米曲霉分泌的淀粉酶的糖化作用，水解成糊精和葡萄糖。
这些糖对酱油的色、香、味、体起重要作用。
糖化作用完全，酱油的甜味好，体态浓厚，无盐固形物高。
色：酱油色素的形成，有两条主要的途径：一是糖与氨基酸结合发生美拉德反应，形成褐色物质；二是酶促褐变反应，由曲生成的多酚氧化酶将蛋白质的水解产物酪氨酸氧化成黑色素。
味：原料中的蛋白质经过米曲霉所分泌的蛋白酶作用，分解成氨基酸，构成酱油的鲜味。
香：乳酸菌利用葡萄糖发酵生成乳酸、醋酸、琥珀酸、葡萄糖醛酸等。
酵母菌发酵葡萄糖生成酒精。
发酵动力学名词解释
发酵动力学名词解释
发酵动力学是研究微生物在发酵过程中的生长、代谢和动力学行为的学科。
以下是一些常见的发酵动力学名词解释:
1. 比生长速率 (μ):每小时单位质量的菌体所增加的菌体量，是表征微生物生长速率的一个参数，也是发酵动力学中的一个重要参数。
2. 基质消耗动力学：指消耗单位营养物所生产的产物或细胞数量，可以通过确定菌体和基质之间的动力学关系来研究。
3. 最大比生长速率 (μmax):微生物在最优生长条件下的最大比生长速率。
4. 饱和常数 (Ks):表示微生物细胞浓度达到最大值时的营养物浓度。
5. 动力学参数 (kinetic parameters):用于描述微生物生长和代谢过程的一些参数，如比生长速率、饱和常数等。
6. 发酵热 (fermentative heat):在发酵过程中产生的热能，可以用于加热发酵液或产生蒸汽。
7. 非竞争性抑制剂 (non-competitive inhibitor):一种能够
与酶结合并抑制其活性的抑制剂，但其结合常数小于竞争性抑制剂。
8. 群体动力学 (population dynamics):研究微生物种群数量
的动态变化，包括菌落形成和灭绝、种群增长和衰退等。
这些名词解释可以帮助读者更好地理解发酵动力学的基本概念
和应用。
食品科学技术：发酵工程(三)
食品科学技术：发酵工程（三）1、名词解释异淀粉酶正确答案：一种脱支酶，催化水解糖原、支链淀粉以及它们的β极限糊精中的α-1，6-糖苷支链。
与短梗霉多糖酶的区别在于不能作用于短梗霉多糖。
2、判断题蒸发操作中，多效（江南博哥）蒸发的能量利用率比单效高了很多，因此效数越多越经济。
正确答案：对3、名词解释基因芯片正确答案：固定有寡核苷酸、基因组DNA或互补DNA等的生物芯片。
4、单选下列关于发酵工程的说法，错误的是（）A、发酵工程的产品是指微生物的代谢产物和菌体本身B、通过人工诱变选育新品种C、培养基、发酵设备和菌种必须经过严格的灭菌D、环境条件的变化，不仅会影响菌种的生长繁殖，而且会影响菌体代谢产物的形成正确答案：C5、单选酿造绍兴酒的糖化发酵剂（）.A.酒药B.根霉毛霉C.曲和药D.酵母正确答案：C6、判断题有经济价值的抗生素主要是由放线菌属及部分丝状真菌产生的。
正确答案：对7、名词解释藻类正确答案：单细胞或单细胞的聚合体能进行光合作用并产生氧气的真核微生物。
8、多选在发酵中有关氧的利用正确的是（）A、微生物可直接利用空气中的氧B、微生物只能利用发酵液中溶解氧C、温度升高，发酵液中溶解氧增多D、需向发酵液中连续补充空气并不断地搅拌正确答案：B, D9、名词解释Mutation breeding（诱变育种）正确答案：利用各种被称为诱变剂的物理因素和化学因素试剂处理微生物细胞提高基因突变率，再通过适当的筛选方法获得所需的高产优质植株10、填空题（）是生产酒精的主要原料，占到80%。
正确答案：淀粉质原料11、名词解释双水相体系运营正确答案：两种不同的高聚物或者一种高聚物和一种无机盐在水中以适当的浓度溶解而形成的互不相溶的两相12、问答题泡沫对发酵有何影响？常用的消泡方法有何优缺点？正确答案：泡沫对发酵的影响有：（1）泡沫持久存在，妨碍CO2的排除，影响微生物对氧的吸收，破坏正常生理代谢，不利发酵和生物合成。
食品科学技术：发酵工程考试题(题库版)
食品科学技术：发酵工程考试题（题库版）1、单选下列关于发酵工程的说法，错误的是OA、发酵工程的产品是指微生物的代谢产物和菌体本身B、通过人工诱变选育新品种C、培养基、发酵设备和菌种必须经过严格的灭菌D、环境（江南博哥）条件的变化，不仅会影响菌种的生长繁殖，而且会影响菌体代谢产物的形成正确答案：C2、名词解释液体发酵正确答案：液体发酵是相对于固体和半固体发酵而言，是从培养基的状态对发酵的一个分类。
当然，由于培养基状态不同也影响了发酵过程的很多因素，如发酵的条件，发酵设备等。
3、问答题优良酿造大麦的特点.正确答案：大麦便于发芽，并产生大量的水解酶类；大麦种植遍及全球；参考解析：试题答案大麦便于发芽，并产生大量的水解酶类；大麦种植遍及全球；大麦的化学成分适合酿造啤酒；大麦是非人类食用主粮。
（1）色泽：良好大麦有光泽，淡黄；受潮大麦发暗，胚部呈深褐色；受霉菌侵蚀的大麦则呈灰色或微兰色。
（2）气味：良好大麦具有新鲜稻草香味。
（3）谷皮：优良大麦皮薄，有细密纹道。
（4）麦粒形态：以短胖者为佳。
（5）夹杂物：杂谷粒和沙土等应在2%以下。
4、名词解释基因克隆正确答案：经无性繁殖获得基因许多相同拷贝的过程。
通常是将单个基因导入宿主细胞中复制而成5、名词解释半连续发酵正确答案：（在补料分批培养的基础上间歇放掉部分发酵液（带放）称为半连续培养。
某些品种采取这种方式，如四环素发酵）6、单选下列营养物质中，不同时含有碳源、氮源和生长因子的是OA.牛肉膏B.蛋白陈C.生物素D.酵母粉正确答案：C7、名词解释诱导多能干细胞正确答案：通过向皮肤成纤维细胞的培养基中添加几种胚胎干细胞表达的转录因子基因，诱导成纤维细胞转化成的类多能胚胎干细胞。
8、名词解释Strainbreeding（菌种选育）正确答案：从分离筛选获得的有价值菌种中经过人工选育出各种突变体以大幅提高了菌种产生有价值的代谢产物的水平，改进产品质量，去除不需要的代谢产物或产生新代谢产物9、名词解释末端代谢产物阻遏正确答案：由于某些代谢途径中的末端产物过量积累而引起酶合成的阻遏称为、10、名词解释酵母双杂交系统正确答案：是将待研究的两种蛋白质的基因分别克隆到酵母表达质粒的转录激活因子（如GA1.4等）的DNA结合结构域基因和GA1.4激活结构域基因，构建成融合表达载体，从表达产物分析两种蛋白质相互作用的系统。
《发酵工程》理论课教学大纲(供四年制本科生物工程专业使用)
《发酵工程》理论教学大纲(供四年制本科生物工程专业使用)I 前言发酵工程是生物学各专业本科生的专业课。
通过学习在工、农、医等方面的应用及发酵工艺的控制、发酵产物的提取、生产设备的结构，了解该学科的发展前沿、热点和问题，使学生牢固掌握发酵工程的基本理论和基础知识，为学生今后的学习及工作实践打下宽厚的基础。
本大纲适用于四年制本科生物工程专业使用。
现将大纲使用中有关问题说明如下：一为了使教师和学生更好地掌握教材，大纲每一章节均由教学目的、教学要求和教学内容三部分组成。
教学目的注明教学目标，教学要求分掌握、熟悉和了解三个级别，教学内容与教学要求级别对应，并统一标示（核心内容即知识点以下划实线，重点内容以下划虚线，一般内容不标示）便于学生重点学习。
二教师在保证大纲核心内容的前提下，可根据不同教学手段，讲授重点内容和介绍一般内容。
三总教学参考学时数：40学时，其中理论课36学时，实验课（参观）4学时。
理论与实验学时之比为9:1。
四教材：《微生物工程》，科学出版社出版，曹军卫主编，第二版，2007年3月。
Ⅱ正文第1章微生物工程概论一教学目的学习微生物工程的发展简史及其应用，发酵的一般过程。
二教学要求（一）了解微生物工程的发展简史。
（二）熟悉微生物工程的应用。
（三）掌握发酵的一般过程三教学内容（一）微生物工程的发展简史。
（二）微生物工程的应用（三）发酵的一般过程第2章生产菌种的来源一教学目的学习生产菌种的来源、分离方法。
二教学要求（一）掌握生产菌种的分离方法。
（二）掌握抗生素产生菌的分离。
（三）掌握氨基酸产生菌的分离。
三教学内容（一）生物物质产生菌的筛选过程。
（二）菌种的分离。
第3章微生物的代谢调节与代谢工程一教学目的通过本章的学习，学习初级代谢与次级代谢的概念、特点及二者的关系；微生物代谢的类型及关系；微生物代谢自我调节的方法及代谢调控方法；代谢工程的定义及方法。
二教学要求（一）了解微生物的代谢类型及关系。
（二）掌握初级代谢与次级代谢的概念、特点及二者的关系。
发酵动力学
dP dt
YP / X
dX dt
YP / X X
或
QP YP / X
根据细胞生长与产物形成的关系
非相关型
细胞生长时无产物；细胞停止生长后，则有大量
产物积累。产物的形成速率只与细胞积累量有关， 产物的合成发生在细胞停止生长之后，习惯上把这 类与细胞生长无关联的产物称为次级代谢产物。如 大多数抗生素和微生物毒素的发酵。
Contois方程式 前面的方程中都没有出现X，即菌体浓度。 当菌浓很高，发酵液黏度很大时，采用如下 方程 ：
u um s KX X s
其中KX是考虑了菌浓的饱和常数
多种底物现象
同时使用型 优先使用型
其它
K1s K2s
K1s s K2s s
K1
maxs1 s2
s1K2
s2
dX X
dt
营养物质限制生长微生物的典型生长形式 符合Monod方程
u um s Ks s
Monod方程
u um s Ks s
μ 为比生长速率(s-1)； μmax为最大比生长速率(s-1)， s为限制性底物浓度(g／L)。 Ks为饱和常数(g/L)，其值等于比生长速率恰为最大比生长
max
s1 Ka1
s1Biblioteka s2 Ka2 s2
分批发酵-底物消耗动力学
实际产物得率与菌体生长得率的关系
-ΔS = (-ΔS)M + (-ΔS)G + (-ΔS)P
生长得率
YX / S
X S
理论生长得率
Ygs
X (S )G
同样，对于产物得率
实际产物得率
P YP / S S
理论产物得率 （产物最大得率）
发酵动力学
非结构模型
最理想情况
结构模型
均衡 生长 细胞之间无差异， 是均一的，细胞内 有多个组分存在。
确定论模型 不考虑细胞内部结构
各种细胞均一 细胞群体做为一种溶质
A
不考虑细胞内部结构 均衡 生长
B 实际情况：
概率论模型 各种细胞不均一
C 对细胞群体的描述模型
细胞内多组分；
细胞之间不均一 D
（2） 宏观处理法
(3) 发酵周期
实验周期是指接种开始至培养结束放罐这段时 间。 工业生产周期，计算劳动生产率时则应把发酵 罐的清洗、投料、灭菌，冷却等辅助时间计算 在内，以反映发酵设备的利用效率。即从第一 罐接种经发酵结束至第二次接种为止这段时间 为一个发酵周期。
2. 有机化合物中的化合能 ① 完全燃烧需氧量
6. 发酵动力学与过程优化控制 发酵动力学通过对微生物生长率、基质 和氧消耗率、产物合成率的动态研究， 实现发酵条件参数的在线检测，确定发 酵动力学模型，实现动态过程优化控制， 取得发酵产物最大量。
第 2节
发酵动力学分类
1. 根据细胞生长与产物形成有否偶联进行分类
细胞浓度 (x) 或产物浓度对时间作图时， 两者密切平行，其最大的比生长速率和 最大的产物合成比速率出现在同一时刻。 一般来说在这种类型的发酵生产中，控 制好最佳生长条件就可获得产物合成的 最适条件。
〖Ⅰ型发酵〗 产物的形成和菌体的生长相偶联
p x
（2）生长产物合成半偶联类型：亦称Ⅱ型
它是介于生长产物合成偶联型与生长产物合成非偶联 之间的中间类型，产物的合成存在着与生长相联和不 相联两个部分。
该类型的动力学产物合成比速率的最高时刻要迟于比 生长速率最高时刻的到来。 如柠檬酸、谷氨酸、赖氨酸、依康酸、丙酮、丁醇发 酵
发酵工程--发酵动力学
对数生长期、减速期、稳定期（静止期）和衰亡
期五个时期，如图
对数 衰减期 生长期
稳定期
衰亡期
菌体浓度X
延滞期
时间t
延滞期又称停滞期、调整期或适应期。指 微生物接种到新鲜培养基中后一段时间内，菌 体数目增加不明显的的一段时期。这是由于接 种初期微生物细胞对生长环境有一个适应的过 程，这个时期的长短取决于种子质量、菌龄、 接种量等因素。如果接种物处于对数生长期， 延迟期就短；同一菌种，接种量大延迟期则短。 在延迟期微生物细胞浓度（或数量）的变化
3、分批培养的底物消耗动力学 ① ② ③ 得率系数 基质消耗动力学参数 基质消耗动力学
4、分批发酵的产物形成动力学
由于微生物细胞代谢所生成的产物种类繁 多，细胞内生物合成的途径十分复杂，代谢调 节机制各不相同。为了研究在工业发酵过程中
如何提高代谢产物的产量，就必须首先确定目
的代谢产物的合成与微生物细胞生长的动力学
S(mg/l)
6
33
0.24
64
0.43
153
221
μ (h-1) 0.06
0.66 0.70
求在该培养条件下，求大肠杆菌的μ max，Ks和 td?
解：将数据整理：
S/μ S 100 6 137.5 192.5 231.8 311.3 33 64 153 221
S/μ 的平均值为202.536，S的平均值为152.6。
dx 0 dt
x xmax
由于生长环境恶化，菌体繁殖越来越慢， 死亡数越来越多，菌体死亡的速率超过生长速 率。在衰亡期，菌体形态显著改变，出现多形 态的细胞衰退型，如菌体变长、肿胀或扭曲，
有时菌体自溶难以辨认，新陈代谢活动趋于停
发酵工程—5微生物反应动力学
批 影响，并以数学语言进行描述。
发
酵
动
力
学
发 酵 工 程 — 微生物反应动力学
研究发酵动力学的目的
通过动力学研究，优化发酵的工艺条件及调
二 控方式；
、 建立反应过程的动力学模型来模拟最适当的
分 批
工艺流程和工艺参数，预测反应的趋势；
发 酵
控制发酵过程，甚至用计算机来进行控制。
动
力
学
发 酵 工 程 — 微生物反应动力学
、 分 批 发 酵 动 力
学 该式即是微生物在对数生长期的增殖模式
发 酵 工 程 — 微生物反应动力学
μ因菌体所处的环境条件而改变；环境的恶 化，菌体增殖进入减数期。
二 1949年，莫诺发现细菌的比生长速率与单一
、 分
限制性基质之间存在一定关系；借助郎格谬
批 发 酵
尔方程，莫诺建立了被称为莫诺方程的经验 公式：
Yp dt
批
发 酵 动
ds X m X 1 dP
dt YG
Yp dt
力
学 式中：m为碳源维持常数
m 1 dS X dt M
发 酵 工 程 — 微生物反应动力学
于是
二 、
r
1 YG
m
1 Yp
qp
分
批
发 酵
r ：基质消耗比速
酵
动
力
学
Yx s
反反应应过过程程消中耗生基成质菌的体摩的尔质数量＝ddxs
发 酵 工 程 — 微生物反应动力学
用YG 表示菌体的理论得率：
二 YG 用于同 生化 成为 菌菌 体体 的碳 质源 量消耗＝ddxsG
第九章发酵动力学分析
酵条件的变化而发生明显改变， ④各种描述发酵动态的变量对发酵条件变化的反应
无明显滞后。
在以上假定的基础上，我们主要采用以下两 种方法进行发酵动力学的研究；
1．宏观处理法 结构模型，非结构模型
2．质量平衡法 物质的质量守恒
三、发酵动力学与过程优化控制 发酵动力学：是关于微生物生长率、基质和
维持代谢消耗的基质量。特定条件下为常 数。
ms
1 X
dS dt
M
ms ..........Fra bibliotek..以基质消耗为基准的维持因素
X...............菌体干重
S.................基质量
t..................发酵时间
M...............表示维持
(二)生长得率
菌体的生长量相对于基质消耗量的得率叫做生长得 率：
Yx
＝
s
X S
X................干菌体的生长量
S..............基质消耗量
纯生长得率: 也叫理论生长得率、最大生长得 率或生长得率常数。
Ygs＝（
X S）G
X................干菌体的生长量
（ S）G..............只用于生长的基质消耗量（不包括维持和产物合成）
第九章 发酵动力学
一、发酵动力学研究的内容 ①细胞生长和死亡动力学； ②基质消耗动力学； ③氧消耗动力学； ④CO2生成动力学； ⑤产物合成和降解动力学； ⑥代谢热生成动力学。
二、研究发酵动力学的方法
为可行性，我们对发酵过程进行了以下简化处理： ①反应器内的体系均匀； ②温度、pH等环境条件能够控制以保持稳定，从而
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• 发酵过程放大的两个基本问题：
– 发酵放大条件的优化
• 核心：发酵动力学研究，获得细胞生长及其产物合 成放大过程特征及其对环境的响应特征；
– 重点研究微生物与物理、化学环境的相互作用，揭示放 大规律。
– 反应器性能优化
• 重点研究混合与传质问题，满足发酵最适条件需要 • 侧重反应器的设计与放大
动力学主要探讨反应速率问题：
m S m
• Monod方程应用：
– 测定微生物对不同底物的亲和力大小（Ks值） – 实验确定适于微生物生长的最佳底物（ ？） – 比较不同底物发酵最终残留的大小（ ？） – 比较不同微生物对同一底物的竞争优势，确定连续培
养的稀释率
分批发酵动力学-细胞生长动力学
Stationary（不生长或生长率与死亡率相等）:
微生物生长特性通常以单位细胞浓度或细
胞数量在单位时间内的增加量来表示（μ、μn）：
1 X
dX dt
或
n
1 N
dN dt
X t X 0e t 或 Nt N0ent
X—细胞浓度（g/L）；N—细胞个数； t—生长时间；
X0、Xt—初始微生物浓度和t时细胞浓度； N0、Nt—初始细胞个数和t时细胞个数；
1 x
dx dt
0，x
xma（x 浓度最大）
dying:
a (比死亡速率 ，s-1)
• 分批发酵过程中，微生物生长通常要经历延 滞期、对数生长期、衰减期、稳定期（静止 期）和衰亡期五个时期。
分批发酵过程
典型的分批发酵工艺流程图
分批发酵动力学-细胞生长动力学
菌体浓度X
t1
t2 t3
t4
t5
时间 t
分批发酵时典型的微生物生长动力学曲线
关于菌龄的描述
• 微生物细胞倍增时间与群体生长动力学
发酵动力学研究的基本过程
首先研究微生物生长和产物合成限制因子； 建立细胞生长、基质消耗、产物生成模型； 确定模型参数； 实验验证模型的可行性与适用范围； 根据模型实施最优控制。
本章主要内容
分批发酵动力学 连续发酵动力学 补料分批发酵动力学
什么是分批发酵？
• 分批发酵：准封闭培养，指一次性投料、接 种直到发酵结束，属典型的非稳态过程。
– 细菌：典型倍增时间1hr – 酵母：典型倍增时间2hr – 放线菌和丝状真菌：典型倍增时间4－8hr
微生物细胞群体生长动力学是反映整个群 体的生长特征，而不是单个微生物生长倍增的 特征。
因此，菌龄是指一个群体的表观状态。
分批发酵动力学
细胞生长动力学 基质消耗动力学 产物形成动力学
分批发酵动力学-细胞生长动力学
认识发酵过程的规律 优化发酵工艺条件，确定最优发
酵过程参数，如：基质浓度、温 度、pH、溶氧，等等 提高发酵产量、效率和转化率等
本章的重要性 • 一条主线：
发酵工艺过程 • 两个重点：
发酵过程的优化与放大 • 三个层次：
分子、细胞、反应器 • 四个目标：
高产、高效、高转化率、低成本 主要方法：基于发酵动力学研究来实现
什么是发酵动力学？
发酵动力学：研究微生物生长、产物合成、底物消耗之间
动态定量关系，定量描述酵动力学参数特征：微生物生长速率、发酵产物合成 速率、底物消耗速率及其转化率、效率等； 2、影响发酵动力学参数的各种理化因子； 3、发酵动力学的数学模型。
研究发酵动力学的目的
① 当S较高时，(对数期满足S>>10Ks)，此时，µ= µm ② 当S较低时，(减速期， S<<10Ks)，此时S↓，µ ↓
∴ 减速期， µ ↓
ms
Ks s
比 生
Monod方程：
mSt Ks St
长
素 率
表征μ 与培养基中残留的
生长限制性底物St的关系
μ
限制性底物残留浓度St
生化反应： aA + bB cC + dD
如何能最快最多的获得目的产物 反应动态平衡 改变条件 破坏平衡
催化剂 温度 酸碱度 浓度
如何确定高产高效 的最佳条件？
采用反应动力学方法 进行定量研究
发酵动力学研究的几个层次（尺度）
• 分子层次（酶催化与生物转化）
– 基于关键生化反应（限速步）及其关键酶的动力学 特征及其影响因素
Decline（开始出现一种底物不足的限制）:
(1)若不存在抑制物时
Monod 模型: ms
Ks s
ln
x
ln
x0
ms
Ks s
t
x x0et
分批发酵动力学-细胞生长动力学
式中: S—限制性基质浓度，mol/m3
Ks—底物亲和常数(也称半饱和速度常数），表示微生物 对底物的亲和力 , mol/m3 ； Ks越大，亲和力越小， µ 越小。
—以细胞浓度表示的比生长速率； n —以细胞数量表示的比生长速率。
分批发酵动力学-细胞生长动力学
lag: x不变, 即 dx 0, 0
dt
exp:(假定无抑制作用存在)
m
m
1 x
dx dt
ln x ln x0 mt
x x0 e mt
分批发酵动力学-细胞生长动力学
– 采用一系列分子水平的方法
• 细胞层次（代谢网络与细胞工厂）
– 基于细胞信号传导、代谢网络、细胞物质运输的系 列关键生化反应的综合表现
– 采用一系列细胞水平的方法，包括细胞群体行为分 析
• 反应器层次（过程工程）
– 基于细胞群体生长及产物合成对外部环境综合响应 – 采用一系列优化反应器发酵条件的方法
• 课程重点：主要针对微生物发酵的表观动力学， 通过研究微生物群体的生长、代谢，定量反映细 胞群体酶促反应体系的宏观变化速率，主要包括：
– 细胞生长动力学 – 底物消耗动力学 – 产物合成动力学
重点定量研究底物消耗与细胞生长、产物合成的动 态关系，分析参数变化速率，优化主要影响因素。
但研究过程中将涉及三个层次的研究方法，达到认 识微生物本质特征、解决发酵工业问题的目的。
残留的限制性底物浓度对微生物 比生长率的影响
Ks—底物亲和常数，等于
处于1/2μm时的底物浓度， 表征微生物对底物的亲和力，
两者成反比。
酶促反应动力学－米氏方程：
v Vm[s] Km [s]
受单一底物酶促反应限制的微生物 生长动力学方程－Monod方程：
ms
Ks s
1 Ks 1 1